第三章 生物信息的传递--从(2)

1、3 生物信息的传递生物信息的传递(上上)-从从DNA到到RNA RNARNA在转录完成后，继续形成具有功能的活性的在转录完成后，继续形成具有功能的活性的RNARNA分子。分子。即即转录后加工（转录后加工（Post-transcriptional processingPost-transcriptional processing）。）。在转录中新合成的在转录中新合成的RNARNA往往是较大的前体分子，需要经过往往是较大的前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的RNARNA分子，这一过程称为转录后加工或分子，这一过程称为

2、转录后加工或RNARNA的成熟。主要包的成熟。主要包括括剪接、剪切和化学修饰剪接、剪切和化学修饰。3.6.1 原核生物原核生物mRNA的加工的加工 与一个多肽链相对应的与一个多肽链相对应的DNADNA片段加上启动部位再加上终止片段加上启动部位再加上终止部位叫做一个部位叫做一个顺反子顺反子，把只编码一个蛋白质的，把只编码一个蛋白质的mRNAmRNA称为称为单单顺反子顺反子mRNAmRNA（monocistronic mRNAmonocistronic mRNA），），把编码多个蛋白质把编码多个蛋白质的的mRNAmRNA称为称为多顺反子多顺反子mRNAmRNA（polycistronic mRNA

3、polycistronic mRNA）。 原核生物中，多顺反子原核生物中，多顺反子mRNAmRNA比单顺反子更普遍。比单顺反子更普遍。 3.6 RNA的转录后加工的转录后加工 由于转录与翻译过程偶联，大多数原核生由于转录与翻译过程偶联，大多数原核生物物mRNA都不需要加工，转录后直接翻译；都不需要加工，转录后直接翻译；只有少数多顺反子只有少数多顺反子mRNA需要经过加工，需要经过加工，切成小单位后再进行翻译。切成小单位后再进行翻译。 3.6.2 真核生物真核生物mRNA的加工的加工 真核生物的核真核生物的核DNA，由于基因的长度和性质的差，由于基因的长度和性质的差异，原使转录产物很不均一，被统

4、称为异，原使转录产物很不均一，被统称为不均一核不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）。 核内不均一核内不均一RNA (heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)平均分子长度为平均分子长度为8-10Kb(2Kb14Kb)8-10Kb(2Kb14Kb)左右。比左右。比mRNAmRNA的平均长度（的平均长度（1.8-2Kb1.8-2Kb）要大）要大4-54-5倍。倍。 hnRNA是是mRNA的前体，的前体，hnRNA中含有中含有mRNA相同的序列，但比相同的序列，但比mRNA复杂。复杂。hnRNA在体外可在体外可以作为蛋白翻译的模板。以

5、作为蛋白翻译的模板。 hnRNA仅有总量的仅有总量的1/2转移到细胞质内，其余的都转移到细胞质内，其余的都在核内被降解掉。在核内被降解掉。 剪接剪接 在在5端帽子和端帽子和3端尾巴形成以后，内含子一个一端尾巴形成以后，内含子一个一个被切除，外显子连接形成成熟的个被切除，外显子连接形成成熟的mRNA，这个，这个过程就是过程就是RNA的剪接（核内）的剪接（核内） 。exonintronDNAmRNAtranscriptionform lariat RNA, exons closespliceosomeRemove lariat RNA, join exonsMature mRNA7.7Kb1872

6、bpL 1 2 3 4 5 6 7 L123 4 5 6 7 卵清蛋白基因内含子的特点内含子的特点 几乎所有几乎所有mRNA基因的内含子两端相同即开始基因的内含子两端相同即开始5端为端为GU，3端为端为AG(GU/AG原则原则)，内含子含保守的，内含子含保守的套索结构套索结构(一致一致序列为序列为UACUAACU, A为分支点为分支点)，内含子，内含子5序列与分支点序列与分支点附近序列互补利于形成套索结构。附近序列互补利于形成套索结构。 剪接信号剪接信号5位点、位点、3位点和分支位点位点和分支位点在内含子的近在内含子的近33端有端有6-12nt6-12nt保守序列，在哺保守序列，在哺乳动物中为

7、乳动物中为YNCURAYYNCURAY（Y Y：嘧啶，：嘧啶，R R：代表嘌呤，：代表嘌呤，N N表示任何核苷酸）。分支点顺序可和上游序表示任何核苷酸）。分支点顺序可和上游序列互补，形成茎环，但列互补，形成茎环，但A A不配对不配对RNA的剪接的剪接需要的物质：需要的物质：snRNA: U1snRNA: U1、U2U2、U3U3、U4U4、U5U5和和U6U6。过程过程: :a. a. U1snRNAU1snRNA以碱基互补的方式识别以碱基互补的方式识别mRNAmRNA前体前体55剪接点；剪接点；b.b.由结合在由结合在33剪接点上游富嘧啶剪接点上游富嘧啶区的区的U2AFU2AF因子引导因子引

8、导SnRNASnRNA中的中的U2snRNAU2snRNA与分支点相结合，形成与分支点相结合，形成一个剪接前体一个剪接前体; ;c.c.与与U4U4、U5U5、U6snRNAU6snRNA相结合，形相结合，形成环状结构成环状结构剪接体剪接体; ;d.d.由特定的由特定的酶酶来识别切除该环状结来识别切除该环状结构，完成剪接过程。构，完成剪接过程。CAUUCAUAUGAUGUexon1exon2GUAAGUAUACUACAAG53intronbranch 分枝点分枝点U1U2spliceosomeexon1exon2UGAGA53U4、U5、U6 细胞核中的小分子细胞核中的小分子RNARNA称为称

9、为细胞核小细胞核小RNARNA（small small nuclear RNA,nuclear RNA, snRNAsnRNA);); 位于细胞质中的称为位于细胞质中的称为细胞质小细胞质小RNARNA (small (small cytoplasmic RNA,cytoplasmic RNA, scRNA scRNA) )。 在自然状态下，它们以在自然状态下，它们以核糖核蛋白颗粒（核糖核蛋白颗粒（SnRNPSnRNP和和scRNPscRNP）的形式存在，俗称）的形式存在，俗称snurpssnurps和和scyrpsscyrps。 在核仁中也存在着一类小的在核仁中也存在着一类小的RNARNA，称

10、为，称为核仁小核仁小RNARNA (small nucleolar RNA, (small nucleolar RNA, snoRNAsnoRNA),),它们在它们在rRNArRNA的的加工中起作用。加工中起作用。 snRNAsnRNA参与剪接过程参与剪接过程，并与其它蛋白一起构成一个，并与其它蛋白一起构成一个大的颗粒复合体大的颗粒复合体, ,称为称为剪接体剪接体(splicesome)(splicesome)。 哺乳动物细胞中哺乳动物细胞中mRNA前体上的前体上的snRNP是从是从5向向下游下游“扫描扫描”，选择在分支点富嘧啶区，选择在分支点富嘧啶区3下游的下游的第一个第一个AG作为剪接的作

11、为剪接的3受点。受点。 AG前一位核苷酸可以影响剪接效率，一般说来，前一位核苷酸可以影响剪接效率，一般说来，CAG=UAGAAGGAG。 如果如果mRNA前体上同时存在几个前体上同时存在几个AG，可能发生剪，可能发生剪接竞争。接竞争。 在高等真核生物个体发育或细胞分化过程中可以有选择性在高等真核生物个体发育或细胞分化过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接点进行变位剪接，产生出组地越过某些外显子或某个剪接点进行变位剪接，产生出组织或发育阶段特异性织或发育阶段特异性mRNAmRNA，称为，称为内含子的变位剪接内含子的变位剪接。 脊椎动物中大约有脊椎动物中大约有5%5%的基因能以这种方式进行剪

12、接，保证的基因能以这种方式进行剪接，保证各同源蛋白质之间既具有大致相同的结构或功能域，又具各同源蛋白质之间既具有大致相同的结构或功能域，又具有特定的性质差异，进而拓展了基因所携带的遗传信息。有特定的性质差异，进而拓展了基因所携带的遗传信息。 与与mRNAmRNA前体中主要（前体中主要（GU-AGGU-AG类）和次要（类）和次要（AU-ACAU-AC类）内含子类）内含子的剪接方式不同的是的剪接方式不同的是I I、IIII类内含子类内含子，因为带有这些内含，因为带有这些内含子的子的RNARNA本身具有催化活性，能进行内含子的自我剪接。本身具有催化活性，能进行内含子的自我剪接。图3-24 I类内含子

13、的自我剪接过程自由鸟苷酸的自由鸟苷酸的3-OH3-OH作为亲核基作为亲核基团攻击内含子团攻击内含子55端的磷酸二酯端的磷酸二酯键，从上游切开键，从上游切开RNARNA链。链。上游外显子的自由上游外显子的自由3-OH3-OH作为亲核作为亲核基团攻击内含子基团攻击内含子33位核苷酸上的位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开。磷酸二酯键，使内含子被完全切开。II类内含子剪接机制类内含子剪接机制剪切由剪切由2 2个转酯个转酯反应完成（酵母）反应完成（酵母）a. a. 分支点腺苷分支点腺苷2-OH2-OH 攻击攻击55外外显子剪切位点，形成显子剪切位点，形成2-52-5磷酸二酯键，从而形成分支结磷酸

14、二酯键，从而形成分支结构。构。b. b. 上游外显子上游外显子3-OH3-OH 攻击内含攻击内含子与外显子子与外显子2 2（下游）之间的（下游）之间的磷酸二酯键磷酸二酯键，使外显子，使外显子1 1和外和外显子显子2 2联结。联结。c. c. 释放内含子环。释放内含子环。d. d. 整个反反应中磷酸二酯键数未整个反反应中磷酸二酯键数未变。变。 无需无需鸟苷鸟苷的辅助，但需镁离的辅助，但需镁离子的存在。子的存在。CUGACYAGPyPuPyPyTAPy3. 6. 3 RNA的编辑和化学修饰的编辑和化学修饰 RNA的编辑（的编辑（RNA editing）RNA的编辑是某些的编辑是某些RNA，特别是，

15、特别是mRNA前体的一种加工方式，如前体的一种加工方式，如插插入、删除或取代入、删除或取代一些核苷酸残基，导致一些核苷酸残基，导致DNA编码编码的遗传信息的改变。的遗传信息的改变。 介导介导RNA编辑的机制有两种：编辑的机制有两种： 位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用 引导引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除。指导的尿嘧啶插入或删除。位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作用 载脂蛋白载脂蛋白CUCU导致提前终止导致提前终止 由脱氨基酶催化由脱氨基酶催化引导引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除指导的尿嘧啶插入或删除 引导引导RNA指导的尿嘧啶插入或删除指导的尿嘧啶插入或删除RNA的编辑的生物学意义

16、：的编辑的生物学意义： 校正作用校正作用 有些基因在突变过程中丢失的遗传信有些基因在突变过程中丢失的遗传信息可能通过息可能通过RNA编辑修复。编辑修复。 调控翻译调控翻译 通过编辑可以构建和去除起始或终止通过编辑可以构建和去除起始或终止密码子，是基因表达调控的一种方式。密码子，是基因表达调控的一种方式。 扩充遗传信息扩充遗传信息 能是基因产物获得新的结构和功能是基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。能，有利于生物进化。RNA的再编码的再编码RNA的化学修饰的化学修饰图图3-29 酵母酵母U24 snoRNA指导的甲基化指导的甲基化3.6.4 核酶核酶 (Ribozyme)1、发现、发现

17、19811981年年T.CechT.Cech和和S.AtmanS.Atman等在研究四膜虫等在研究四膜虫rRNArRNA时发现时发现的；的；T.CechT.Cech由核糖核酸（由核糖核酸（ribonucleic acidribonucleic acid）和酶）和酶（enzymeenzyme）这两个词）这两个词“重组重组”成一个新的词：成一个新的词： “ Ribozyme”“ Ribozyme”； RibozymeRibozyme是指本质为是指本质为RNARNA或或以以RNARNA为主含有蛋白质辅基为主含有蛋白质辅基的一类具有的一类具有催化功能催化功能的物质的物质。413bp15bp这类内含子的

18、结构特点这类内含子的结构特点 1. 1. 其边界序列为其边界序列为5U-G 35U-G 3； 2. 2. 具有具有中部核心结构中部核心结构（Central core strucatureCentral core strucature） 3.3.内部引导顺序内部引导顺序（internal guide seguence IGSinternal guide seguence IGS） 在线粒体基因组中发现，也存在于极少数单细胞真核在线粒体基因组中发现，也存在于极少数单细胞真核生物生物( (如嗜热四如嗜热四5555膜虫的膜虫的rRNA)rRNA)的核基因组中。的核基因组中。 原核体系中少数内含子也是原核体系中少数内含子也是型内含子（如型内含子（如T4T4噬菌体噬菌体胸苷酸合成酶基因）。胸苷酸合成酶基因）。 和传统酶的区别：和传统酶的区别：(1)一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是一般的酶是纯的蛋白质，而核酶是RNA或带有蛋白的或带有蛋白的RNA；(2)核